[工学]超高速加工技术.ppt

第第4 4讲讲 高速加工技术高速加工技术 本节要点本节要点 高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术 高速磨削加工 高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自 动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和 加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度采用比常规速度 高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。 以切削速度和进给速度界定：以切削速度和进给速度界定： 高速加工的高速加工的切削速度和进给速度切削速度和进给速度为普通切削的为普通切削的5 51010倍。倍。 以主轴转速界定：高速加工的以主轴转速界定：高速加工的主轴转速主轴转速 10000 r/min10000 r/min。 高速加工的概念与特征高速加工的概念与特征 高速加工切削速度范围因不同的高速加工切削速度范围因不同的工件材料工件材料而异而异 车削(Turing)：700-7000 m/min 铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：50-300 m/s 镗削（Boring）：35-75m/min 高速加工切削速度范围随高速加工切削速度范围随加工方法加工方法不同也有所不同不同也有所不同 1. 高速加工切削速度的范围 铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 铜(Cu)：900-5000 m/min 钢(Steel)：500-2000 m/min 灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min 钛(Ti)：100-1000m/min 德国切削物理学家德国切削物理学家Carl SalmonCarl Salmon 博士博士1929年进行了超高速 模拟实验。 2. 切削理论的提出 切削适应区 图1 Salomon切削温度与切削速度曲线 软铝 切削速度v/(m/min) 切削不 适应区 0 600 1200 1800 2400 3000 青铜 铸铁 钢 硬质合金980 高速钢650 碳素工具钢 450 Stelite合金850 1600 1200 800 400 切削温度 / 切削适应区 非铁金属 图2 切削速度变化和切削温度的关系 在在1931 1931 年年4 4 月，根据实验曲线，提出著名的月，根据实验曲线，提出著名的“ “萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线” ”和和 高速切削理论。高速切削理论。 切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件； 3.高速加工的特点 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍； 图 3 加工零件 高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小； 减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为 “一次过”技术（One pass machining）。 A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图4 热传导对比图 热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走； 图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心 生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min 定位精度：0.008 mm 重复定位精度：0.005mm 高速加工技术的发展与应用高速加工技术的发展与应用 图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心 图9 HSM400 加工极高表面光洁度的硬钢 HRC62、铝、铜、塑料工件 图7 HSM800 图8 HSM600 高速切削加工应用高速切削加工应用 （1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。 图10 波音公司的波音公司的F15F15战斗机的起动减速板战斗机的起动减速板 铝合金整体零件： u 整体零件“掏空”， 切除量大 u 零件有薄壁，要求小 切削力 u 小直径刀具 u 较长的刀具悬伸 图11 高速铣削典型工件 （2 2）汽车制造。）汽车制造。 专用机床 5轴4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变） 1234 钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔 表面和内侧倒棱高速钻孔 高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变） 图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司） （3 3）模具制造。）模具制造。 图13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司） 与最终尺寸差值/mm 加工时间 100 % 10 1 0.1 0.01 0.001 粗加工 精加工 手工精修 传统加工方法 高速切削 少量手工精修 b）高速模具加工的过程 图14 两种模具加工过程比较 1硬化毛坯 2粗铣 3半精铣 4精铣 5手工磨修 a）传统模具加工的过程 1毛坯 2粗铣 3半精铣 4热处理 5电火花加工6精铣 7手工磨修 电极制造 生产剃须刀的石墨电极 生产球形柄用的铜电极 图15 高速切削加工电火花加工用工具电极 （4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC5562），可 代替磨削，精度可达IT5IT6级，粗糙度可达0.21um。 （5）超精密微细切削加工领域。 粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。 图16 高速切削加工医用药盒 高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术 1. 高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1106 电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装 在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。 采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气 体静压轴承、液体静压轴承。 陶瓷球 轴承 图17 陶瓷轴承高速主轴 密封 圈 旋转变 压器 电主 轴 陶瓷球 轴承 冷却水 出口 冷却水 入口 q 陶瓷轴承高速主轴结构 前辅助轴 承 电主轴 双面轴 向推力 轴承 前径向轴 承 后径向轴 承后辅助轴 承 前径向传感 器 后径向传感 器 轴向传感 器 图18 磁浮轴承高速主轴 q 磁浮轴承主轴结构 放 大 器 电磁铁（定子） 传感器 转子 图19 磁悬浮轴承工作原理 控 制 器 2.快速进给系统 伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副； 直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直 线电动机的进给系统。 3 基座 4 磁性轨道 5 直线电机 6 直线导轨7 直线光栅 8 平台 9 接口电缆 10 防护罩 图20 结构图 3.高性能的CNC控制系统 图21 六杆机床（并联机床结构） 4.先进的机床结构 图22 德国HSK型刀柄及其联接结构 5. 高速切削的刀具系统 工件材料最佳前角数值最佳后角数值 铝合金12151315 铜材051216 铸铁012 铜合金816 纤维强化复合材料2015 20 刀具角度选择： 表1 超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值 磨削(Grinding): 借助于砂轮表面大量磨粒作切削 刃去除材料的一种方法。 磨削速度（Grinding speed）: 指砂轮表面磨粒在 工件材料上进行刻划切削的运动速度，通常就是砂 轮周边的回转线速度，单位m/s。 高速磨削(High-speed grinding)：磨削速度在100 m/s以上。 超高速磨削( Super high-speed grinding):150 m/s以 上即常规速度五倍以上的高速磨削。 高速磨削加工高速磨削加工 1.高速主轴 高速磨削关键技术 图23 高速主轴动平衡系统 1-信号传送单元 2-紧固发兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴 2.高速磨床结构 图24 直线电机驱动高速平面磨床 3.高速磨削砂